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Quantenmaterialien

Quantenmaterialien könnten Daten mit extrem wenig Energie verarbeiten und speichern. An BESSY II werden interessante Materialklassen untersucht. © HZB/A.Kubatzki

Unsere modernen IT- und Kommunikationssysteme verbrauchen viel Strom - mit steigender Tendenz. Deshalb untersuchen Forscherinnen und Forscher des HZB Materialien, die Daten mit deutlich weniger Energie verarbeiten könnten. In diesen Materialklassen spielen die magnetischen Momente (Spins) der Elektronen die entscheidende Rolle. Die Elektronen selbst müssen sich nicht bewegen. Deshalb ist weniger Energie nötig und es entsteht kaum Wärme. Diese Technologie wird als Spintronik bezeichnet.

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Neue Optionen für Spintronik-Bauteile. Einem HZB-Team gelang das Umschalten zwischen magnetischen Zuständen mit weniger Energieaufwand.

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Magnetische Eigenschaften von Elektronen, aber auch von lokalen Bereichen in den Materialien können für die Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Informationen genutzt werden. Sie ermöglichen eine schnellere und energieeffizientere Verarbeitung und Speicherung von Daten. Für das physikalische Verhalten dieser Materialien sind Quanteneffekte entscheidend, die an BESSY II mit vielfältigen Methoden untersucht werden können.

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Topologische Isolatoren, nanomagnetische Systeme, multiferroische Materialien oder Spin-Strukturen besitzen elektronische und magnetische Eigenschaften, die für neue Bauelemente genutzt werden könnten. Wir analysieren diese Eigenschaften und klären dabei Spin-basierte Phänomene zeitlich und räumlich hochaufgelöst auf. Die relevanten Prozesse laufen im Nano- bis Femtosekunden-Bereich ab, die sich an BESSY II mit besonderen Methoden (Femtoslicing) untersuchen lassen.

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Kollektive Zustände in Festkörpern sind dadurch gekennzeichnet, dass sich Elektronen oder Quasiteilchen gemeinsam (kollektiv) verändern. Dies führt zu Ordnungsphänomenen wie Quantenmagnetismus, Supraleitung und Ferroelektrizität, die für IT- und Energietechnologien genutzt werden könnten. Dabei untersuchen wir Phasenübergänge, teilweise unter extremen Bedingungen, sowie neue Materialklassen wie multiferroische Systeme und unkonventionelle Supraleiter. Ein langfristiges Ziel dieser Forschung ist es, solche Phasenübergänge und Ordnungszustände zu kontrollieren und für künftige Anwendungen nutzbar zu machen.


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